C/SiC复合材料纳米压痕有限元仿真
发布时间：2020-12-08 09:22
利用ABAQUS软件对C/SiC复合材料的纳米压痕实验进行有限元分析,引入内聚力模型来组建材料的本构模型。在细观力学层面上利用Oliver-Pharr方法对不同位置压痕点的载荷位移曲线进行分析,研究复合材料各组分原位力学性能的影响因素,揭示界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷位移曲线、材料硬度、弹性模量的影响规律。该仿真为C/SiC复合材料的工程应用、加工去除机理的研究及纳米压痕实验的参数优化提供理论依据与高效方法。
【文章来源】：材料科学与工程学报. 2016年01期 第49-53+74页 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１典型载荷－压深曲线Ｆｉｇ．１Ｔｙｐｉｃａｌｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅ
及界面相的存在对其力学性能的影响，分析了界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷－位移曲线的影响规律。２纳米压痕原理压痕试验是以Ｈｅｒｔｚ理论为基础建立起的一项测试技术，初加载时压头区的塑性变形和弹性变形同时开始，随着压头下移，塑性和弹性都在加剧，严重的非线性过程开始发生，材料结构产生本质变化，压深达到最大时，应力达到最大值。卸载过程中弹性表现比较急速，而塑性作用则占据更重要的地位，这便使得材料表面留下永久性压痕。通过压痕法所得的典型载荷－位移曲线如图１所示，图２为压头压入材料和卸载后的参数示意图［５，９］。图２中ｈｍａｘ为最大压入深度，ｈｃ为最大接触深度，ｈｆ为塑性深度，其中ｈｍａｘ、ｈｆ可直接从载荷－位移曲线中测量得到，ｈｃ可通过式（２）计算得到。将所得载荷－位移曲线利用Ｏｌｉｖｅｒ－Ｐｈａｒｒ理论进行分析计算，可求得所测材料的压痕硬度及弹性模量［５］。压痕硬度用最大载荷Ｐｍａｘ与最大压深面积Ａｃ之比来定义。压痕硬度（Ｈ）的求解方法如下：图１典型载荷－压深曲线Ｆｉｇ．１Ｔｙｐｉｃａｌｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅ图２加载和卸载参数示意图Ｆｉｇ．２ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｌｏａｄａｎｄｕｎｌｏａｄＳ＝ｄＰｄｈ（ｈ＝ｈｍａｘ）＝Ｂｍ（ｈｍａｘ－ｈｆ）ｍ－１（１）ｈｃ＝ｈ－εＰｍａｘＳ（２）Ａｃ＝２４．５６ｈ２ｃ＋∑８ｉ＝１Ｃｉｈ１／２ｉｃ（３）Ｈ＝ＰｍａｘＡｃ（４）其中：
材料为体积分数为４０％的单向纤维增强Ｃ／ＳｉＣ复合材料，压头选用顶角为１４２．３０°的圆锥压头来模拟Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ三棱锥压头。纤维和基体选用四边形结构化网格，单元类型为ＣＰＳ４Ｒ，界面选用扫略网格，采用内聚力单元，单元类型为ＣＯＨ２Ｄ４，采用节点控制技术使界面层单元厚度为０。网格划分如图４所示。各材料属性见表１所示。图３几何模型Ｆｉｇ．３Ｇｅｏｍｅｔｒｙｍｏｄｅｌｏｆｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ图４网格划分Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｓｈｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓ表１材料属性Ｔａｂｌｅ１ＭａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌＭａｔｅｒｉａｌＤｅｎｓｉｔｙ／ｇ·ｃｍ－３Ｍｏｄｕｌｕｓ／ＧＰａＰｏｉｓｓｏｎ’ｓｒａｔｉｏＴｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ／１０－６·℃－１Ｉｎｄｅｎｔｅｒ３．５２１１４１０．０７－Ｍａｔｒｉｘ（ＳｉＣ）３．１７４５４．５４０．１６９２．５，４．４，５．５Ｆｉｂｅｒ（Ｔ３００）１．７６２３００．２，０．０１３－０．７界面的本构模型选用Ｍｉ等人提出的双线性本构模型［１０］，如图５所示，其本构关系如式（７）所示。其中Ｄ为剪切模量，Ｅ０是初始对角刚度矩阵。图５双线性内聚力本构模型Ｆｉｇ．５Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｂｉｌｉｎｅａｒｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅσ＝（１－Ｄ）Ｅ０ε＝１－Ｋ１＋（）Ｋ［］ＦＥ０ε（７）损伤开始由最大应力
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于纳米压痕测试的超细晶Si2N2O-Si3N4陶瓷常温弹塑性仿真[J]. 赵志勇,申江龙,顾勇飞,骆俊廷. 塑性工程学报. 2014(05)
[2]基于深度-敏感压痕技术的喷丸铝锂合金板残余应力分布特征[J]. 张硕,张丽娜,叶笃毅,刘建中. 材料科学与工程学报. 2014(05)
[3]纳米压痕结合有限元法确定ZnO纳米带的弹性常数[J]. 张阳军,周益春. 材料科学与工程学报. 2014(05)
[4]碳纤维/环氧界面相准静态纳米压痕表征方法分析[J]. 管培强,李艳霞,李敏,王冀,顾轶卓,孙志杰,张佐光. 玻璃钢/复合材料. 2012(06)
[5]基于纳米压痕技术的碳纤维/环氧树脂复合材料各组分原位力学性能测试[J]. 高雪玉,杨庆生,刘志远,高雪娇. 复合材料学报. 2012(05)
[6]Ti-Si-N超硬复合表面纳米压痕测量过程的有限元仿真[J]. 刘学杰,马琴芳,董海宽,孙士阳,任元,冯秀娟. 材料导报. 2010(08)
本文编号：2904855
【文章来源】：材料科学与工程学报. 2016年01期 第49-53+74页 北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
图１典型载荷－压深曲线Ｆｉｇ．１Ｔｙｐｉｃａｌｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅ
及界面相的存在对其力学性能的影响，分析了界面强度、界面厚度对纳米压痕过程中载荷－位移曲线的影响规律。２纳米压痕原理压痕试验是以Ｈｅｒｔｚ理论为基础建立起的一项测试技术，初加载时压头区的塑性变形和弹性变形同时开始，随着压头下移，塑性和弹性都在加剧，严重的非线性过程开始发生，材料结构产生本质变化，压深达到最大时，应力达到最大值。卸载过程中弹性表现比较急速，而塑性作用则占据更重要的地位，这便使得材料表面留下永久性压痕。通过压痕法所得的典型载荷－位移曲线如图１所示，图２为压头压入材料和卸载后的参数示意图［５，９］。图２中ｈｍａｘ为最大压入深度，ｈｃ为最大接触深度，ｈｆ为塑性深度，其中ｈｍａｘ、ｈｆ可直接从载荷－位移曲线中测量得到，ｈｃ可通过式（２）计算得到。将所得载荷－位移曲线利用Ｏｌｉｖｅｒ－Ｐｈａｒｒ理论进行分析计算，可求得所测材料的压痕硬度及弹性模量［５］。压痕硬度用最大载荷Ｐｍａｘ与最大压深面积Ａｃ之比来定义。压痕硬度（Ｈ）的求解方法如下：图１典型载荷－压深曲线Ｆｉｇ．１Ｔｙｐｉｃａｌｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅ图２加载和卸载参数示意图Ｆｉｇ．２ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｌｏａｄａｎｄｕｎｌｏａｄＳ＝ｄＰｄｈ（ｈ＝ｈｍａｘ）＝Ｂｍ（ｈｍａｘ－ｈｆ）ｍ－１（１）ｈｃ＝ｈ－εＰｍａｘＳ（２）Ａｃ＝２４．５６ｈ２ｃ＋∑８ｉ＝１Ｃｉｈ１／２ｉｃ（３）Ｈ＝ＰｍａｘＡｃ（４）其中：
材料为体积分数为４０％的单向纤维增强Ｃ／ＳｉＣ复合材料，压头选用顶角为１４２．３０°的圆锥压头来模拟Ｂｅｒｋｏｖｉｃｈ三棱锥压头。纤维和基体选用四边形结构化网格，单元类型为ＣＰＳ４Ｒ，界面选用扫略网格，采用内聚力单元，单元类型为ＣＯＨ２Ｄ４，采用节点控制技术使界面层单元厚度为０。网格划分如图４所示。各材料属性见表１所示。图３几何模型Ｆｉｇ．３Ｇｅｏｍｅｔｒｙｍｏｄｅｌｏｆｎａｎｏｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ图４网格划分Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｓｈｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓ表１材料属性Ｔａｂｌｅ１ＭａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌＭａｔｅｒｉａｌＤｅｎｓｉｔｙ／ｇ·ｃｍ－３Ｍｏｄｕｌｕｓ／ＧＰａＰｏｉｓｓｏｎ’ｓｒａｔｉｏＴｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ／１０－６·℃－１Ｉｎｄｅｎｔｅｒ３．５２１１４１０．０７－Ｍａｔｒｉｘ（ＳｉＣ）３．１７４５４．５４０．１６９２．５，４．４，５．５Ｆｉｂｅｒ（Ｔ３００）１．７６２３００．２，０．０１３－０．７界面的本构模型选用Ｍｉ等人提出的双线性本构模型［１０］，如图５所示，其本构关系如式（７）所示。其中Ｄ为剪切模量，Ｅ０是初始对角刚度矩阵。图５双线性内聚力本构模型Ｆｉｇ．５Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｂｉｌｉｎｅａｒｃｏｈｅｓｉｖｅｚｏｎｅσ＝（１－Ｄ）Ｅ０ε＝１－Ｋ１＋（）Ｋ［］ＦＥ０ε（７）损伤开始由最大应力
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于纳米压痕测试的超细晶Si2N2O-Si3N4陶瓷常温弹塑性仿真[J]. 赵志勇,申江龙,顾勇飞,骆俊廷. 塑性工程学报. 2014(05)
[2]基于深度-敏感压痕技术的喷丸铝锂合金板残余应力分布特征[J]. 张硕,张丽娜,叶笃毅,刘建中. 材料科学与工程学报. 2014(05)
[3]纳米压痕结合有限元法确定ZnO纳米带的弹性常数[J]. 张阳军,周益春. 材料科学与工程学报. 2014(05)
[4]碳纤维/环氧界面相准静态纳米压痕表征方法分析[J]. 管培强,李艳霞,李敏,王冀,顾轶卓,孙志杰,张佐光. 玻璃钢/复合材料. 2012(06)
[5]基于纳米压痕技术的碳纤维/环氧树脂复合材料各组分原位力学性能测试[J]. 高雪玉,杨庆生,刘志远,高雪娇. 复合材料学报. 2012(05)
[6]Ti-Si-N超硬复合表面纳米压痕测量过程的有限元仿真[J]. 刘学杰,马琴芳,董海宽,孙士阳,任元,冯秀娟. 材料导报. 2010(08)
本文编号：2904855
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